KR101455715B1 - 보강섬유 배열 조정 기능의 강재 소선-섬유보강폴리머 보강근 제조용 성형노즐, 이를 이용한 강재 소선-섬유보강폴리머 보강근의 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수개 종류의 섬유와, 강재소선을 이용한 복합 섬유보강 폴리머 보강근을 제작하되, 섬유를 설계 의도에 따라 섬유보강 폴리머 보강근 단면의 특정 위치에 분포시킴과 동시에, 설계된 위치에 강재소선을 배치시킨 구성의 복합 섬유보강 폴리머 보강근을 제조할 수 있는 방법과, 이를 위한 제조장치, 그리고 이를 위한 성형노즐에 관한 것이다.
본 발명에서는 성형노즐(100)을 이용하여 복합 FRP 보강근을 제조하되, 상기 성형노즐(100)은, 외측 노즐(11)과, 상기 외측 노즐(11)에 배치되며 간격을 두고 서로의 내측에 배치되는 중간 노즐(12)과, 강재소선이 관통하는 가이드부재를 포함하여 구성되어, 가이드부재를 통해서 각각 강재소선과 섬유가 공급될 때, 가장 내측에 위치하는 중간 노즐의 중앙공을 통해서 섬유와 강재소선이 공급되고, 중간 노즐 간의 간격을 통해서도 섬유가 공급되며, 중간 노즐과 외측 노즐 사이의 간격을 통해서도 섬유가 공급되어, 섬유가 FRP 보강근의 중심에서 외곽으로 갈수록 복수개의 섬유분포층을 이루면서 분포되어 있으며, 내부에는 강재소선이 배치되어 있는 단면을 가지는 복합 FRP 보강근을 만들게 되는 것을 특징으로 하는 FRP 보강근의 제조장치가 제공되며, 아울러 이를 이용하여 FRP 보강근을 제조하는 방법 및 이에 사용되는 성형노즐이 제공된다.

Description

보강섬유 배열 조정 기능의 강재 소선-섬유보강폴리머 보강근 제조용 성형노즐, 이를 이용한 강재 소선-섬유보강폴리머 보강근의 제조방법 및 제조장치{Nozzle, Method and Apparatus for Manufacturing of Steel - FRP Bar}

본 발명은 강재소선을 포함하는 섬유보강 폴리머 보강근의 제조방법과 제조장치, 그리고 이에 사용되는 성형노즐에 관한 것으로서, 구체적으로는 사전에 미리 압축력이 도입되도록 함으로써 낮은 탄성계수를 가지는 섬유를 사용하더라도 과도한 휨처짐이 발생하지 아니하는 섬유보강 폴리머 보강근을 제조할 수 있고, 더 나아가 2종 이상의 다종(多種) 섬유와 강재(steel)로 만들어진 소선을 이용하여 복합 섬유보강 폴리머 보강근을 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 복합 섬유보강 폴리머 보강근을 제작할 때, 강재소선을 설계된 위치에 맞추어서 배열할 수 있고, 섬유를 설계 의도에 따라 단면의 특정 위치에 분포시킨 상태로 용이하게 제조할 수 있는 방법과, 이를 위한 제조장치, 그리고 성형노즐에 관한 것이다.

철근 콘크리트 구조물에서 구조물의 보강을 위하여 사용되는 철근은 부식의 위험에 항상 노출되어 있다. 콘크리트에서는 균열 등으로 인하여 철근이 수분에 접촉할 가능성이 높으며, 특히 균열 이외에도 콘크리트 내부의 잔여 수분으로 인해 철근에는 부식이 발생하게 된다. 철근이 부식되면 부피가 팽창하게 되고 이로 인해 주변 콘크리트가 탈락하게 되어 철근 콘크리트 구조물의 중요 성립 요소인 일체성이 상실되어 구조부재로서의 역할을 수행할 수 없는 상황에 이르게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 섬유보강폴리머(Fiber Reinforced Polymer/"FRP")를 이용하여 제작한 봉형상의 제품을 콘크리트 구조물에 배근되는 철근을 대신하거나 또는 철근을 보조하는 용도로 사용하려는 시도가 이루어지고 있는데, 이와 같이 콘크리트 구조물의 보강을 위하여 사용된다는 점을 감안하여 통상적으로 "FRP 보강근" 또는 "FRP 리바"라고 부르고 있다.

대한민국 등록특허 제10-0702629호 및 대한민국 공개특허공보 제10-1987-3861호에는 이러한 FRP 보강근을 제조하는 기술에 대해 개시되어 있다. 종래에는 섬유 권취릴, 수지 공급부, 성형노즐, 가열기 및 인발기로 이루어진 제조장치를 이용하여 FRP 보강근을 제조하게 되는데, 섬유 권취릴로부터 공급되는 실처럼 가는 섬유를 다발로 만들어서 인발기로 인발하게 되는데, 수지 공급부를 거치면서 수지와 함께 섬유가 성형노즐로 들어가면서 봉형상으로 성형되고, 가열기를 거쳐 수지가 경화되는 과정을 거쳐서 FRP 보강근이 만들어진다.

이와 같이, 수지가 함침된 섬유를 집속하여 원형이나 타원형 또는 기타 다각형의 단면을 가지도록 봉형상의 FRP 보강근을 제조할 때 사용되는 섬유로는 탄소섬유, 아라미드 섬유, 강선, 유리섬유 등이 이용되는데, 원가절감을 위해서는 유리섬유를 이용하는 것이 유리하다. 그런데 유리섬유를 이용하여 FRP 보강근을 제조하는 경우, 인장강도는 철근보다 월등히 크지만 탄성계수가 철근보다 낮기 때문에 FRP 보강근(1)을 휨부재에 대한 보강용으로 사용하는 경우, 휨부재에 큰 처짐을 야기하게 된다. 즉, 유리섬유와 같이 낮은 탄성계수를 가진 섬유를 이용하여 FRP 보강근을 제작하는 경우, 휨하중을 받는 콘크리트 구조물에 사용할 때 과도한 휨 처짐을 가져오게 되는 것이다.

이에 대한 해결책으로는, 탄성계수가 상이한 여러 종류의 섬유를 혼합하여 FRP 보강근을 제작하는 방안이 있다. 이와 같이 복수개 종류의 섬유(유리섬유, 탄소섬유 등)를 동시에 이용하여 제작된 FRP 보강근은 여러 종류의 섬유를 혼합하기 때문에 경제성도 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 유리섬유만을 이용한 FRP 보다는 더 향상된 탄성계수를 가지도록 할 수 있다는 장점이 있다.

그런데 복수개 종류의 섬유를 이용한 FRP 보강근을 제작함에 있어서, 다종(多種)의 섬유를 FRP 보강근의 단면에서 각각 다른 위치에 분포시킬 필요가 생길 수 있다. 위에서 예시한 것처럼 유리섬유와 탄소섬유를 이용한 FRP 보강근이라면, 유리섬유는 단면의 중앙에 위치시키고 탄소섬유는 단면의 외곽에 위치시킬 필요가 생길 수 있는 것이다. FRP 보강근에 사용되는 섬유는 마치 실처럼 그 직경이 매우 작을 뿐만 아니라 수십 또는 수백 가닥이 집속되어 사용되는 것인데, 이러한 섬유를 복수개의 종류로 이용하고 그와 동시에 각 종류의 섬유를 설계 의도에 따라 FRP 보강근 단면의 특정 위치에 분포시킨 상태로 FRP 보강근을 효율적으로 제조할 수 있는 기술이 절실히 요구되고 있다.

더 나아가, 유리섬유와 탄소섬유를 이용한 FRP 보강근이 탄성계수 등의 특성에서 장점을 가지고 있지만, 필요에 따라서는 그 강성을 더욱 증가시킬 필요가 있는 바, 이러한 수요 즉, 강성이 종래보다 더욱 증가된 다종(多種)섬유 이용 FRP 보강근의 개발이 매우 절실하다.

대한민국 등록특허공보 제10-0702629호(2007. 04. 04. 공고) 대한민국 공개특허공보 제10-1987-3861호(1987. 05. 04. 공개)

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 구체적으로는 FRP 보강근을 휨 하중을 받는 콘크리트 구조물에 사용하더라도 과도한 휨 처짐이 발생되는 것을 방지함과 동시에 높은 강성을 가질 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 2종 이상의 복수개 종류의 섬유를 이용한 FRP 보강근을 제작하되, 설계 의도에 따라 섬유를 FRP 보강근 단면의 특정 위치에 분포시킨 상태로 제조할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

더 나아가, 본 발명은 FRP 보강근의 강성을 증가시키기 위한 수단으로서 강재(steel)로 만들어진 선재(線材) 즉, 강재소선을 FRP 보강근의 단면내에 배치할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 섬유, 수지 및 강재소선으로 이루어진 봉형상의 FRP 보강근을 제조하기 위한 성형노즐로서, 외측 노즐과, 상기 외측 노즐의 입구에 배치되며 복수개가 간격을 두고 서로의 내측에 배치되는 중간 노즐과, 외측 노즐 및 중간 노즐 각각에 개별적으로 연결된 연결봉과, 상기 연결봉을 서로 일체화시킴과 동시에 섬유와 강재소선의 진입을 가이드하는 판 부재로 이루어진 가이드부재가 구비되어 있으며; 상기 가이드부재에는, 외측 노즐과 중간 노즐 사이의 간격, 및 중간 노즐 간의 간격 중 어느 하나의 간격이나 또는 모든 간격에 대응되는 위치에서 원주 방향으로 연장된 관통구멍이 원주를 따라 단속적으로 형성되어 있고, 중간 노즐 중에서 가장 내측에 존재하는 노즐의 내부 위치에 맞추어서 상기 가이드부재에는 중앙 관통구멍과, 원주를 따라 단속적인 형태의 제3관통구멍이 형성되어 있고, 소선관통공이 제3관통구멍과 중앙 관통구멍 사이에서 원주를 따라 복수개로 형성되어 있으며; 중앙 관통구멍과 제3관통구멍을 통과하도록 섬유가 공급됨과 동시에 소선관통공을 통과하도록 강재소선이 공급됨으로써 가장 내측에 위치하는 중간 노즐의 내부로 섬유와 강재소선을 공급하게 되며, 가이드부재에 형성된 관통구멍을 통해서도 각각 섬유를 통과시켜 중간 노즐 간의 간격 및 중간 노즐과 외측 노즐 사이의 간격으로도 섬유가 공급되도록 함으로써, 가장 내측에 위치하는 중간 노즐의 중앙공을 통해서 섬유를 공급하고 중간 노즐 간의 간격 및 중간 노즐과 외측 노즐 사이의 간격을 통해서도 각각 섬유가 공급되도록 하여 섬유와 강재소선이 함께 성형노즐(100)을 통과하여 인발되도록 함으로써, FRP 보강근의 중앙부에는 섬유와 강재소선이 배치되고, FRP 보강근의 중심에서 외곽으로 갈수록 복수개의 섬유분포층이 분포되어 있는 단면을 가지는 복합 FRP 보강근을 만들게 되는 것을 특징으로 하는 복합 FRP 보강근의 제조를 위한 성형노즐이 제공된다.

본 발명에서는 섬유를 공급하는 섬유 권취릴과, 강재소선을 공급하는 강재소선 공급부와, 수지 공급부와, 성형노즐과, 인발기를 포함하는 구성을 가지고 있어서 섬유, 수지, 및 강재소선으로 이루어진 봉형상의 FRP 보강근을 제조하는 장치로서, 상기한 성형노즐을 구비한 복합 FRP 보강근의 제조장치가 제공된다.

또한 본 발명에서는 위와 같은 제조장치에 의해 강재소선과 수지로 함침된 섬유를 함께 성형노즐에 통과시키면서 인발하여 봉형상의 복합 FRP 보강근을 제조하는 방법이 제공된다.

특히, 본 발명에서는 상기한 FRP 보강근의 제조장치를 이용하되, 가장 내측에 위치하는 중간 노즐의 중앙공을 통해서 공급되는 섬유와, 중간 노즐 간의 간격을 통해서도 공급되는 섬유와, 중간 노즐과 외측 노즐 사이의 간격을 통해서도 공급되는 섬유를 각각 서로 다른 종류가 되도록 함으로써, 복수개의 섬유분포층에 각각 서로 다른 종류의 섬유가 분포되어 있는 단면을 가지는 복합 FRP 보강근을 만들게 되는 FRP 보강근의 제조방법이 제공된다.

또한 본 발명에서는 가이드부재의 관통구멍에 각각 서로 다른 종류의 섬유를 공급함으로써, 각각의 섬유분포층 내에서도 원주방향으로 서로 다른 종류의 섬유가 분포되어 있는 단면을 가지는 복합 FRP 보강근을 만들게 되는 것을 특징으로 하는 FRP 보강근의 제조방법이 제공된다.

본 발명에 의하면, 섬유를 이용하여 복합 FRP 보강근을 제작하되, 그 내부에 섬유와 함께 강재소선이 배치되어 있으므로, 강재소선의 보강에 의해 FRP 보강근의 강성이 크게 증가되는 효과가 발휘된다.

또한 본 발명에 의하면, 강재소선이 설계된 위치에 맞추어서 섬유와 함께 공급될 수 있으며, 따라서 강재소선이 의도한 위치에 부합되도록 배치되는 장점이 있다.

특히, 2종 이상의 복수개 종류의 섬유를 이용한 복합 FRP 보강근을 제작하되, 섬유를 설계 의도에 따라 FRP 보강근 단면의 특정 위치에 분포시킨 상태로 복합 FRP 보강근을 제조할 수 있게 되며, 따라서 단면의 내측에는 연신율이 큰 섬유를 분포시키고 단면의 외곽에는 연신율이 작은 섬유를 분포시킨 단면을 가지고 있어서 휨부재에 사용하더라도 큰 휨 처짐을 발생시키지 않게 되는 우수한 성능의 복합 FRP 보강근을 매우 용이하게 제작할 수 있게 된다.

더 나아가 본 발명에 의하면, FRP 보강근에 미리 압축력이 도입되도록 할 수 있으므로, 휨부재로 이용되는 콘크리트 구조물에 본 발명의 복합 FRP 보강근이 사용되는 경우, 휨응력에 의해 복합 FRP 보강근에 작용하는 인장력은, 미리 도입된 압축력에 의해 상쇄되며, 그에 따라 콘크리트 구조물에 과도한 휨 처짐이 발생되는 것을 예방할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.

도 1은 본 발명에 따른 복합 FRP 보강근을 제조하기 위한 본 발명의 제조장치를 보여주는 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 성형노즐의 개략적인 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명에 따른 성형노즐의 선 A-A에 따른 개략적인 단면 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 성형노즐로 다수 종류의 섬유와 강재소선이 공급되는 상태를 보여주는 개략적인 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 성형노즐을 이용하여 복수개의 섬유분포층과 강재소선을 가지도록 원형 단면으로 만들어진 복합 FRP 보강근의 개략적인 종방향 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.

본 발명에서는 수지로 함침된 섬유를 집속하여 인발함과 동시에 철사와 같은 강재소선을 섬유속에 배치시킨 상태로 FRP 보강근을 제조하게 되는데, 이를 위하여 본 발명에 따른 복합 FRP 보강근의 제조장치에는, 앞서 살펴본 종래 기술과 유사하게, 섬유 권취릴, 수지 공급부, 성형노즐, 가열기 및 인발기가 포함될 수 있으며, 강재소선을 공급하기 위한 강재소선 공급부가 더 포함된다.

도 1에는 본 발명에 따른 복합 FRP 보강근을 제조하기 위한 장치의 개략적인 구성도가 도시되어 있는데, 도면에 도시된 것처럼 본 발명에 따른 복합 FRP 보강근의 제조장치에는 섬유 권취릴(101), 강재소선 공급부(106), 수지 공급부(102), 성형노즐(100) 및 인발기(105)가 구비되어 있다. 섬유 권취릴(101)로부터 공급되는 실처럼 가는 섬유와, 강재소선 공급부(106)로부터 공급되는 강재소선(S)(예를 들면, 철사)을 함께 다발로 만들어서 인발기(105)로 인발하게 되는데, 수지 공급부(102)를 거치면서 수지와 함께 섬유가 성형노즐(100)로 들어가고, 그와 함께 강재소선 공급부(106)로부터 공급되는 강재소선(S)도 성형노즐(100)로 들어가면서 섬유와 강재소선(S)이 함께 봉형상으로 성형되는 과정을 거쳐서 본 발명의 복합 FRP 보강근이 만들어진다. 이러한 본 발명에서 필요에 따라서는 가열기(104)를 이용하여 수지를 경화시킬 수도 있다. 한편, 본 발명에서 복합 FRP 보강근의 제조에 사용되는 섬유로는 탄소섬유, 아라미드 섬유, 유리섬유 등이 있다. 참고로 도 1에서 섬유는 점선으로 도시하였고 강재소선(S)은 실선으로 도시하였다.

이러한 본 발명에 따른 복합 FRP 보강근의 제조장치와 제조방법에 있어서, 강재소선 및 수지로 함침된 섬유를 집속하여, 설계된 단면크기의 봉형상으로 성형하는 성형노즐(100)은 다음과 같은 구성을 가진다. 구체적으로 도 2에는 본 발명의 실시예에 따른 성형노즐(100)의 개략적인 사시도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2에 도시된 성형노즐(100)의 선 A-A에 따른 개략적인 단면 사시도가 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명의 성형노즐(100)로 다수 종류의 섬유와 강재소선이 공급되는 상태를 보여주는 측단면도가 도시되어 있다.

도면에 도시된 것처럼, 본 발명에서 성형노즐(100)은, 중앙에 관통공이 형성되어 있는 파이프 형태의 외측 노즐(11)과, 상기 외측 노즐(11)의 입구에 배치되며 복수개가 간격을 두고 서로의 내측에 배치되는 중간 노즐(12)을 포함하여 구성된다. 이러한 중간 노즐(12)은 복수개로 구비될 수 있는데, 도면에 도시된 실시예에서는 2개의 중간 노즐(12)이 구비되어 있다. 본 명세서에서는 복수개의 중간 노즐(12)을 통칭할 경우에는 도면부호 '12'를 사용하였지만 도면에 예시된 실시예에 대해 2개의 중간 노즐을 각각 구분하여 지칭할 때에는 외측 노즐(11)과 가까운 순서로 각각 '제1중간 노즐(12a)' 및 '제2중간 노즐(12b)'라고 기재하였다.

본 발명의 성형노즐(100)에서, 외측 노즐(11)은 중앙에 관통공이 형성되어 있는 파이프 형상의 부재로 이루어지는데, 섬유가 진입하게 되는 입구의 단면적은, 섬유가 인발되어 빠져나가는 출구의 단면적보다 더 큰 것이 바람직하다. 이러한 구성에서는, 입구로 진입한 섬유와 강재소선이 출구를 통해서 빠져나오도록 인발기(105)에 의해 당겨질 때, 외측 노즐(11)의 내면과 섬유 사이에는 매우 강한 마찰력이 작용하게 되고, 그에 따라 외측 노즐(11)의 출구를 빠져 나온 상태에서 섬유에는 인장력이 도입되어 있게 된다. 즉, 섬유에는 프리스트레인(pre-strain)이 도입된 상태에 있게 되는 것이다. 이와 같이 프리스트레인이 도입된 상태의 섬유와 강재소선은 수지와 함께 경화되는데, 수지가 경화된 상태에서 절단기(도시되지 않음)에 의해 필요한 길이로 절단되어 복합 FRP 보강근(1)이 만들어지면, 성형노즐(100)을 통과하는 과정에서 이미 당겨져 있던 섬유는 탄성에 의해 다시 수축하려는 경향 즉, 탄성회복력을 가지게 되고, 그에 따라 복합 FRP 보강근에는 압축력이 미리 도입된다.

휨부재로 이용되는 콘크리트 구조물에 이와 같은 본 발명의 복합 FRP 보강근이 사용되는 경우, 휨응력에 의해 FRP 보강근에 작용하는 인장력은, 미리 도입된 압축력에 의해 상쇄되며, 따라서 과도한 휨 처짐이 발생되는 것을 방지할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에서 중간 노즐(12)은 외측 노즐(11)의 입구로 섬유가 공급될 때, 섬유가 복수개의 층으로 구분된 상태로 공급되도록 하는 기능을 하는 것으로서, 제1중간 노즐(12a)은 외측 노즐(11)의 입구보다 더 작은 외측 크기를 가지고 있으며, 상기 외측 노즐(11)의 내면과 제1중간 노즐(12a)의 외면 사이에는 간격이 존재하도록 상기 외측 노즐(11)의 입구 내측에 위치하게 된다. 특히, 도면에 도시된 실시예의 경우, 제1중간 노즐(12a)은 외측 노즐(11)과 마찬가지로 입구가 출구보다 더 큰 단면적을 가지도록 테이퍼진 콘 형상으로 구성되어 있다.

이와 같이 제1중간 노즐(12a)이 외측 노즐(11)의 내측에 간격을 두고 배치되고, 다시 제1중간 노즐(12a)의 입구 내측에는 제2중간 노즐(12b)이 간격을 두고 배치된다. 즉, 마치 외측 노즐(11)과 제1중간 노즐(12a)의 관계처럼, 제1중간 노즐(12a)의 입구보다 더 작은 외측 크기를 가지고 있어서 상기 제1중간 노즐(12a)의 내면과 제2중간 노즐(12b)의 외면 사이에는 간격이 존재하도록 상기 제1중간 노즐(12a)의 입구 내측에 제2중간 노즐(12b)이 위치하는 것이다. 도면에 도시된 실시예에서 제2중간 노즐(12b) 역시 입구가 출구보다 더 큰 단면적을 가지도록 테이퍼진 콘 형상으로 구성되어 있다.

도면에 예시된 실시예의 경우, 제1중간 노즐(12a)과 제2중간 노즐(12b)로 이루어진 2개의 중간 노즐만이 구비되어 있지만, 필요한 경우, 제3중간 노즐, 제4중간 노즐 등 더 많은 개수의 중간 노즐을 배치할 수 있으며, 이 경우, 제3중간 노즐, 제4중간 노즐 등은 위에서 설명하였듯이 제1중간 노즐(12a) 내에 제2중간 노즐(12b)을 배치하는 구성을 반복하여 이용할 수 있다. 즉, 복수개의 중간 노즐이 구비되는 경우, 각각의 중간 노즐 간에 간격이 존재하도록, 외부쪽 중간 노즐의 입구에 내부쪽 중간 노즐이 배치되는 것이다.

상기 외측 노즐(11)과 제1중간 노즐(12a) 사이에 간격이 존재하는 형태가 유지될 수 있도록 외측 노즐(11)과 제1중간 노즐(12a)을 서로 연결하기 위하여, 본 발명에는, 외측 노즐(11) 및 중간 노즐(12) 각각에 개별적으로 연결된 연결봉(130)과, 상기 연결봉(130)을 서로 일체화시킴과 동시에 섬유와 강재소선(S)의 진입을 가이드하는 가이드부재(200)가 구비되어 있다.

상기 연결봉(130)은 외측 노즐(11)과 중간 노즐(12)의 전방에 각각 구비되어 진입되어 오는 섬유와 강재소선을 마주하는 방향으로 연장되어 있으며, 상기 가이드부재(200)는 판 형상의 부재로 이루어져서, 복수개의 연결봉(130) 단부에 일체 결합되어 있다. 즉, 복수개의 연결봉(130) 단부에 걸쳐 가이드부재(200)가 결합되어 있는 것이다.

특히, 가이드부재(200)에는, 외측 노즐(11)과 제1중간 노즐(12a) 사이의 간격에 대응되도록 원주 방향으로 연장된 제1관통구멍(201)이 노즐의 원형 단면 형상에 맞추어서 원주를 따라 단속적으로 형성되어 있으며, 제1중간 노즐(12a)과 제2중간 노즐(12b) 사이의 간격에 대응되는 위치에서도 원주 방향으로 길게 연장된 제2관통구멍(202)이 원주를 따라 단속적으로 형성되어 있다. 그리고 도면에 도시된 실시예의 경우, 제2중간 노즐(12b)의 중앙으로 섬유(중앙섬유)가 공급되도록 제3관통구멍(204)과 중앙 관통구멍(203)이 형성되어 있다. 즉, 중간 노즐 중에서 가장 내측에 존재하는 노즐의 내부 위치에 맞추어서 상기 가이드부재(200)에는 제3관통구멍(204)과 중앙 관통구멍(203)이 형성되어 있는 것이다. 그러나 제3관통구멍(204)은 생략될 수도 있다.

한편, 더 많은 개수의 중간 노즐이 구비되는 경우, 이에 대응하여 가이드부재(200)에도 각각 중간 노즐 사이의 간격에 대응되는 위치에 위와 같이 원주 방향으로 길게 연장된 관통구멍이 형성된다.

또한, 상기 가이드부재(200)에는, 강재소선(S)이 관통되어 진입할 수 있는 소선관통공(210)이 더 형성되어 있다. 도면에 도시된 실시예의 경우, 제2중간 노즐(12b)의 중앙 구멍 위치에는 중앙 관통구멍(203)이 형성되어 있고, 그 외곽을 둘러싸도록 원주방향으로 단속적으로 제3관통구멍(204)이 형성되어 있는데, 제2중간 노즐(12b)의 중앙 구멍으로 공급되는 중앙섬유 속에 강재소선(S)이 배치될 수 있도록 하기 위하여 소선관통공(210)이 제3관통구멍(204)과 중앙 관통구멍(203) 사이에서 원주를 따라 복수개로 형성되어 있다. 만일 제3관통구멍(204)이 생략되는 경우, 소선관통공(210)은 중앙 관통구멍(203)의 외곽에서 중앙 관통구멍(203)을 둘러싸도록 원주를 따라 복수개로 형성될 수 있다.

강재소선 공급부(106)로부터 공급된 강재소선(S)과, 섬유 권취릴(101)로부터 공급되어 수지 공급부(102)를 통과하는 과정에서 수지가 묻어 있는 섬유는, 도 4에 도시된 것처럼 상기 가이드부재(200)의 관통구멍을 통과하여 성형노즐(100)의 입구로 공급된다. 가이드부재(200)의 제3관통구멍(204)과 중앙 관통구멍(203)을 통과한 중앙섬유는 노즐 중에서 가장 내측에 존재하는 중간 노즐(도면의 실시예에서는 제2중간 노즐)의 중앙공으로 공급되는데, 이 때 강재소선(S) 역시 소선관통공(210)을 통과하여 중앙섬유와 함께 가장 내측에 존재하는 중간 노즐의 중앙공으로 공급된다.

또한, 제1관통구멍(201)과 제2관통구멍(202)을 통해서도 각각 섬유가 통과하여 공급되어, 중간 노즐(12)간에 존재하는 간격(도면의 실시예에서는 제1중간 노즐과 제2중간 노즐 사이의 간격) 및 중간 노즐(12)과 외측 노즐(11) 사이의 간격(도면의 실시예에서는 외측 노즐과 제1중간 노즐 사이의 간격)으로 섬유가 들어오게 된다. 이렇게 여러 간격을 통해서 들어온 섬유는 결국 단면에서 볼 때 복수개의 층을 이루면서 외측 노즐(11)의 중앙 관통공을 통과하여 출구로 빠져나가면서 인발된다. 도 5에는 이와 같은 방식으로 본 발명의 성형노즐(100)을 통과하여 원형의 단면을 가지도록 만들어진 복합 FRP 보강근(1)의 단면 구성을 보여주는 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 도 5에 도시된 것처럼, 외측 노즐(11)과 제1중간 노즐(12a) 사이의 간격을 통해서 공급된 섬유는 복합 FRP 보강근(1)의 최외곽을 이루는 제1섬유분포층에 분포하게 되고, 제1중간 노즐(12a)과 제2중간 노즐(12b) 사이의 간격을 통해서 공급된 섬유는 상기 제1섬유분포층의 내측에 위치하는 제2섬유분포층에 분포하게 되며, 제2중간 노즐(12b)의 중앙공을 통해서 공급된 중앙섬유는 중앙에 위치하는 중앙 섬유분포층에 분포하게 되는 것이다. 이 때, 제2중간 노즐(12b)의 중앙공을 통해서 들어온 강재소선(S)은 중앙 섬유분포층 내에 배치된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 성형노즐(100)을 이용하게 되면, 복합 FRP 보강근(1)의 단면에서 섬유를 복수개의 층으로 구분하여 분포시킬 수 있게 된다. 따라서 가장 내측의 중간 노즐의 중앙공을 통해서 공급되는 섬유와, 중간 노즐 사이의 간격을 통해서 공급되는 섬유, 그리고 외측 노즐과의 간격을 통해서 공급되는 섬유의 종류를 서로 달리하게 되면, 여러 종류의 섬유가 반지름 방향으로 가면서 다층으로 분포된 상태의 복합 FRP 보강근을 만들 수 있게 되는 것이다. 예를 들어, 유리섬유와 아라미드 섬유, 그리고 탄소섬유의 3개 종류와 강재소선(S)으로 이루어진 복합 FRP 보강근을 만드는 경우라면, 제2중간 노즐(12b)의 중앙을 통해서는 유리섬유를 공급하고, 제1중간 노즐(12a)과 제2중간 노즐(12b) 사이의 간격을 통해서는 아라미드 섬유를 공급하며, 외측 노즐(11)과 제1중간 노즐(12a) 사이의 간격을 통해서는 탄소섬유와 강재소선을 공급함으로써, 내측으로부터 외측으로 가면서 유리섬유가 분포된 중앙 섬유분포층과, 아라미드 섬유가 분포된 제2섬유분포층과, 탄소섬유와 강재소선이 분포된 제1섬유분포층으로 이루어진 복합 FRP 보강근을 매우 용이하게 제작할 수 있게 되는 것이다. 즉, 본 발명에 의하면, 2종 이상의 복수개 종류의 섬유와 강재소선을 이용한 복합 FRP 보강근을 제작하되, 섬유를 설계 의도에 따라 단면의 특정 위치에 분포시킴과 동시에 강재소선(S)을 원하는 위치에서 섬유 내에 배치시킨 구성의 복합 FRP 보강근을 용이하게 제작할 수 있게 되는 것이다.

특히, 본 발명에서는 가이드부재(200)에 제1관통구멍 및 제2관통구멍이 단속적으로 형성되어 있으므로, 각각 다른 종류의 섬유를 상기 관통구멍에 통과시키게 되면, 도 5에 도시된 것과 같이 하나의 섬유분포층에서도 원주방향으로 복수개의 영역으로 구분된 상태로 각각 다른 종류의 섬유가 분포되도록 할 수도 있다. 도 5의 단면도에서 음영의 농도가 다르거나 또는 무늬가 다른 것은 분포되어 있는 섬유의 종류가 다른 것을 의미한다.

성형노즐(100)로 섬유가 공급될 때, 상부에 위치한 섬유들은 자중에 의해 하부로 움직일 수 있다. 예를 들어, 외측 노즐(11)과 제1중간 노즐(12a) 사이의 간격으로 섬유가 공급될 때, 상기 간격이 원형으로 이루어진 경우 섬유는 자체의 무게로 인하여 원주 방향으로 흘러 내려오려는 경향을 가질 수 있는 것이다. 그러나 본 발명에서는 가이드부재(200)에 의해 위와 같은 현상이 예방되는 효과가 발휘된다. 즉, 본 발명에서 가이드부재(200)에는 제1관통구멍(201), 제2관통구멍(202) 및 제3관통구멍(204)이 단속적으로 형성되어 있으므로, 성형노즐(100)의 입구로 진입하는 섬유들이 자체의 무게로 인하여 원주 방향으로 흘러 내려오려고 할 때 상기 가이드부재(200)의 관통구멍들에 의해 이동이 제한되며, 따라서 섬유들이 원주 방향으로 흘러 내려옴으로 인하여 섬유가 계획되지 않은 위치에 분포되는 현상을 효과적으로 예방할 수 있게 되는 것이다.

위의 설명에서는 본 발명에 의해 제작되는 복합 FRP 보강근의 단면이 원형인 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 아니하며 타원이나 다각형, 또는 기타 다양한 단면 형상을 가질 수 있으며, 그에 따라 성형노즐의 단면 형상도 변화될 수 있다. 따라서 본 명세서에서 "원주 방향"이라는 것은 복합 FRP 보강근의 단면 내에 폐합된 선을 그리게 되는 방향을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

이상에서 살펴본 것처럼, 본 발명에 의하면, 2종 이상의 복수개 종류의 섬유와 강재소선을 이용한 복합 FRP 보강근을 제작하되, 섬유를 설계 의도에 따라 FRP 보강근 단면의 특정 위치에 분포시킨 상태로 복합 FRP 보강근을 제조할 수 있게 되며, 따라서 내측에는 연신율이 큰 섬유를 분포시키고 그 외부에는 연신율이 작은 섬유를 분포시킨 단면을 가지고 있어서 휨부재에 사용하더라도 큰 휨 처짐을 발생시키지 않게 되는 우수한 성능의 복합 FRP 보강근을 매우 용이하게 제작할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 의하면, 복합 FRP 보강근의 내부에 강재소선(S)이 배근되어 있으므로, 복합 FRP 보강근의 강성이 크게 향상되는 효과가 발휘되며, 특히 가이드부재(200)를 통해서 강재소선을 설계된 위치에 맞추어서 용이하게 섬유내에 배치할 수 있게 되어, 강재소선의 배치에 의한 보강효과를 더욱 향상시킬 수 있게 되는 장점이 있다.

11: 외측 노즐
12: 중간 노즐
100: 성형노즐
200: 가이드부재

Claims (4)

1. 섬유를 공급하는 섬유 권취릴(101)과, 강재소선(S)을 공급하는 강재소선 공급부(106)와, 수지 공급부(102)와, 성형노즐(100)과, 인발기(105)를 포함하는 구성을 가지고 있어서 섬유, 수지, 및 강재소선(S)으로 이루어진 봉형상의 복합 FRP 보강근을 제조하는 장치로서,
   성형노즐(100)에는, 외측 노즐(11)과, 상기 외측 노즐(11)의 입구에 배치되며 복수개가 간격을 두고 서로의 내측에 배치되는 중간 노즐(12)과, 외측 노즐(11) 및 중간 노즐(12) 각각에 개별적으로 연결된 연결봉(130)과, 상기 연결봉(130)을 서로 일체화시킴과 동시에 섬유와 강재소선(S)의 진입을 가이드하는 판 부재로 이루어진 가이드부재(200)가 구비되어 있으며;
   상기 가이드부재(200)에는, 외측 노즐(11)과 중간 노즐(12) 사이의 간격, 및 중간 노즐(12) 간의 간격 중 어느 하나의 간격이나 또는 모든 간격에 대응되는 위치에서 원주 방향으로 연장된 관통구멍이 원주를 따라 단속적으로 형성되어 있고, 중간 노즐 중에서 가장 내측에 존재하는 노즐의 내부 위치에 맞추어서 상기 가이드부재(200)에는 중앙 관통구멍(203)이 형성되어 있고, 상기 중앙 관통구멍(203)을 둘러싸도록 원주를 소선관통공(210)이 복수개로 형성되어 있으며;
   중앙 관통구멍(203)을 통과하도록 섬유가 공급됨과 동시에 강재소선(S)이 소선관통공(210)을 통과하도록 공급됨으로써 섬유와 강재소선(S)이 가장 내측에 위치하는 중간 노즐의 내부로 공급되고, 가이드부재(200)에 형성된 관통구멍을 통해서도 각각 섬유가 통과하여 중간 노즐 간의 간격 및 중간 노즐과 외측 노즐 사이의 간격으로도 섬유가 각각 공급됨으로써, FRP 보강근의 중앙부에는 섬유와 강재소선(S)이 배치되고, FRP 보강근의 중심에서 외곽으로 갈수록 복수개의 섬유분포층이 분포되어 있는 단면을 가지는 복합 FRP 보강근을 만들게 되는 것을 특징으로 하는 복합 FRP 보강근의 제조장치.
   
2. 강재소선(S)과 수지로 함침된 섬유를 함께 성형노즐(100)에 통과시키면서 인발하여 봉형상의 복합 FRP 보강근을 제조하는 방법으로서,
   성형노즐(100)에는, 외측 노즐(11)과, 상기 외측 노즐(11)의 입구에 배치되며 복수개가 간격을 두고 서로의 내측에 배치되는 중간 노즐(12)과, 외측 노즐(11) 및 중간 노즐(12) 각각에 개별적으로 연결된 연결봉(130)과, 상기 연결봉(130)을 서로 일체화시킴과 동시에 섬유와 강재소선(S)의 진입을 가이드하는 판 부재로 이루어진 가이드부재(200)가 구비되어 있으며;
   상기 가이드부재(200)에는, 외측 노즐(11)과 중간 노즐(12) 사이의 간격, 및 중간 노즐(12) 간의 간격 중 어느 하나의 간격이나 또는 모든 간격에 대응되는 위치에서 원주 방향으로 연장된 관통구멍이 원주를 따라 단속적으로 형성되어 있고, 중간 노즐 중에서 가장 내측에 존재하는 노즐의 내부 위치에 맞추어서 상기 가이드부재(200)에는 중앙 관통구멍(203)이 형성되어 있고, 상기 중앙 관통구멍(203)을 둘러싸도록 원주를 소선관통공(210)이 복수개로 형성되어 있으며;
   중앙 관통구멍(203)을 통과하도록 섬유를 공급함과 동시에 소선관통공(210)을 통과하도록 강재소선(S)을 공급함으로써 섬유와 강재소선(S)이 가장 내측에 위치하는 중간 노즐의 내부로 진입하도록 하며;
   가이드부재(200)에 형성된 관통구멍을 통해서도 각각 섬유를 통과시켜 중간 노즐 간의 간격 및 중간 노즐과 외측 노즐 사이의 간격으로도 섬유를 공급함으로써, 가장 내측에 위치하는 중간 노즐의 중앙공을 통해서 섬유를 공급하고 중간 노즐 간의 간격 및 중간 노즐과 외측 노즐 사이의 간격을 통해서도 각각 섬유를 공급하여, 섬유와 강재소선을 함께 성형노즐(100)을 통과시키면서 인발함으로써;
   FRP 보강근의 중앙부에는 섬유와 강재소선(S)이 배치되고, FRP 보강근의 중심에서 외곽으로 갈수록 복수개의 섬유분포층이 분포되어 있는 단면을 가지는 복합 FRP 보강근(1)을 만들게 되는 것을 특징으로 하는 FRP 보강근의 제조방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   가장 내측에 위치하는 중간 노즐로 공급되는 섬유와, 중간 노즐 간의 간격을 통해서도 공급되는 섬유와, 중간 노즐과 외측 노즐 사이의 간격을 통해서도 공급되는 섬유를 각각 서로 다른 종류가 되도록 함으로써,
   각각 서로 다른 종류의 섬유가 복수개의 섬유분포층으로 분포되어 있는 단면을 가지는 복합 FRP 보강근을 만들게 되는 것을 특징으로 하는 FRP 보강근의 제조방법.
   
4. 섬유, 수지 및 강재소선(S)으로 이루어진 봉형상의 복합 FRP 보강근을 제조하기 위한 성형노즐(100)로서,
   외측 노즐(11)과, 상기 외측 노즐(11)의 입구에 배치되며 복수개가 간격을 두고 서로의 내측에 배치되는 중간 노즐(12)과, 외측 노즐(11) 및 중간 노즐(12) 각각에 개별적으로 연결된 연결봉(130)과, 상기 연결봉(130)을 서로 일체화시킴과 동시에 섬유와 강재소선(S)의 진입을 가이드하는 판 부재로 이루어진 가이드부재(200)가 구비되어 있으며;
   상기 가이드부재(200)에는, 외측 노즐(11)과 중간 노즐(12) 사이의 간격, 및 중간 노즐(12) 간의 간격 중 어느 하나의 간격이나 또는 모든 간격에 대응되는 위치에서 원주 방향으로 연장된 관통구멍이 원주를 따라 단속적으로 형성되어 있고, 중간 노즐 중에서 가장 내측에 존재하는 노즐의 내부 위치에 맞추어서 상기 가이드부재(200)에는 중앙 관통구멍(203)이 형성되어 있고, 상기 중앙 관통구멍(203)을 둘러싸도록 원주를 소선관통공(210)이 복수개로 형성되어 있으며;
   중앙 관통구멍(203)을 통과하도록 섬유가 공급됨과 동시에 소선관통공(210)을 통과하도록 강재소선(S)이 공급됨으로써 가장 내측에 위치하는 중간 노즐의 내부로 섬유와 강재소선(S)이 진입하게 하며, 가이드부재(200)에 형성된 관통구멍을 통해서도 각각 섬유를 통과시켜 중간 노즐 간의 간격 및 중간 노즐과 외측 노즐 사이의 간격으로도 섬유가 공급되도록 함으로써, 가장 내측에 위치하는 중간 노즐의 중앙공을 통해서 섬유를 공급하고 중간 노즐 간의 간격 및 중간 노즐과 외측 노즐 사이의 간격을 통해서도 각각 섬유가 공급되도록 하여 섬유와 강재소선이 함께 성형노즐(100)을 통과하여 인발되도록 함으로써, FRP 보강근의 중앙부에는 섬유와 강재소선(S)이 배치되고, FRP 보강근의 중심에서 외곽으로 갈수록 복수개의 섬유분포층이 분포되어 있는 단면을 가지는 복합 FRP 보강근(1)을 만들게 되는 것을 특징으로 하는 복합 FRP 보강근의 제조를 위한 성형노즐.

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